Al2O3-TiC复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头组织分析

摘要：采用金相显微镜、扫描电镜和电子探针，观察了al20，一tic复合陶瓷与crl8-m8不锈钢扩散钎焊接头的组织形貌，分析了元素在

接头中的分布情况和界面附近区域元素的扩散情况。试验结果表明，ti—cu_ti中间层与陶瓷具有良好的反应能力，促进元素的相互扩

散。al20，_tic复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头形成3个扩散反应层，其中一个位于crl8-ni8不锈钢侧，厚度约为17．5 m，成分主要是

fe在b_ti中的圉溶体，fe—ti化合物和tic；靠近陶瓷侧的反应层厚度约为7．5岬，成分主要是tic，ti—o和ti—ai； 中间反应层厚度约为

5 m，成分主要是cu圉溶体和cu—ti相。

关键词：al203—tic复合陶瓷；不锈钢；扩散钎焊；ti—cu—ti

中图分类号：tg453．9：tg454 文献标识码：b

al20，一tic复合陶瓷具有优异的高温强度、耐腐蚀及耐磨

性能，在机械、汽车、电子、航空航天等领域有广泛的应用前

景。由于陶瓷与金属在化学键类型、微观结构、物理性质和

力学性能等方面存在较大的差异．采用常规的方法是很难将其

连接在一起并满足使用要求的[r。目前，活性金属钎焊和固相

扩散焊技术较成熟．连接强度高，可重复性好，是实现陶瓷与

金属连接的有效途径。

固相扩散连接中界面的结合是靠界面塑性变形实现的，

其连接温度较高． 由于2种材料线膨胀系数和弹性模量不匹

配，易在界面附近产生高的残余应力，很难实现陶瓷与金属

的直接扩散连接 2． 。因此在进行陶瓷／金属连接时。一般都

采用在陶瓷和金属之间插入中间层金属的间接固相扩散连接

方法。采用中间层的主要目的是减缓因陶瓷与金属的线膨胀

差异而引起的热应力⋯． 同时也可起到抑制或改变界面生成

物的作用： 中间层材料选择是复合陶瓷与钢扩散钎焊连接的

关键问题。

试验采用箔片状ti—cu—ti作为中间层。ti元素为强活性元

素，对复合陶瓷有良好的润湿性；cu为较好的缓冲层材料．

能起到降低接头残余应力的作用。本文采用扩散钎焊工艺对

a1 o3-tic复合陶瓷与crl8一ni8钢进行连接，利用金相显微镜、

扫描电镜和电子探针观察钎焊接头组织形貌，分析元素在接头

区域的分布情况和界面附近区域元素扩散分布情况。通过对

a1 o3一tic复合陶瓷与crl8一ni8钢的成功连接，并结合试验分

析，对于深入研究用常规方法不易焊接时陶瓷与金属的连接有

重要意义。

收稿13期：20__—02—20：修回13期：20__—08—14

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50375088)

1 试验方法

试验所采用的陶瓷是在氧化铝中加入碳化钛而得到的复合

陶瓷，其基体为氧化铝，呈白色。a1 o3一tic复合陶瓷的物理

性能见表1。不锈钢采用crl8一ni8型奥氏体不锈钢．厚度为1．5

mm，不锈钢的化学成分和物理性能见表2。中间过渡层材料采

用箔片状ti—cu—ti复合层，厚度为30 m。

表1 al rⅱc复合陶瓷的物理性能

组成 密度 抗弯强度 维氏硬度 断裂韧性值 线膨胀系数

(质量分数)(％) o／(g-cin-3) ，mpa hv x (mva-m ) ／k

al ~’(26-47)tic 4．16—4．54 400—60o 18．0o一23．0o 4．0o一6．0o 8．0 xl0

表2 crl8一nj8不锈钢的化学成分(质量分数) (％)及物理性能

c cr ni 平均比热容 热导率 线膨胀

／(g·cm-3) ，[j·(kg·k) ] ，[w·(m·k) ] 系数／k

熔点 密度

，℃

<o12 16-20 8—11 o．8 1 539 8．o3 451．1 26．8 18．6×1o

焊前将复合陶瓷与不锈钢表面进行打磨、擦洗后．按陶

瓷／中问层／不锈钢的顺序安装好，然后将试样放人扩散焊设备

中进行真空扩散钎焊。工艺参数为：加热温度1 100 1 150 oc；

压力10—20 mpa；保温时i~q40—70 min；保护气体为氮气。采用

金刚石刀片切割扩散焊试样， 获得试验所用试样， 尺寸为

10mmx7mmxl0mm。然后将试样磨制、抛光，用王水(~(hc1)：

~(hno3)=1：3)进行表面腐蚀。

2 试验结果及分析

2．1 接头显微组织特征

图1为al20，一tic复合陶瓷与cr18一ni8不锈钢扩散钎焊接头

的显微组织。由图可见，扩散钎焊接头界面区结合良好．组织

致密，无宏观缺陷。图1可以显示出整个扩散钎焊接头由3层组

成，分别用1，2，3表示。其中，1所代表的扩散层位于cr18—

20 ·试验与研究· 焊接技术 第36卷第5期20__年10月

ni8不锈钢侧的黑灰色组织区域，厚度约为17．5 m；2所代表

的扩散层位于中间层与不锈钢之间靠近中间层侧，出现白色亮

条区域，厚度约为5 plm；3所代表的扩散层位于陶瓷侧的黑白

斑点交织区域，厚度约为7．5 plm。

图1 ai203-tic复合陶瓷与crl8-n．8不锈钢扩散钎焊接头显微组织

2．2 接头的epma分析

为了研究元素在接头区域的分布情况和界面附近区域元素

扩散情况，利用jxa一8800r型电子探针(epma)对陶瓷与不

锈钢扩散钎焊接头区组织进行了线成分和点成分的分析。

a1。o。一tic复合陶瓷与cr18一ni8不锈钢扩散钎焊接头的线成

分如图2所示。从图中各元素分布线可知，各元素均产生了一

定程度的扩散。两侧各组元相互扩散的结果是在交界面两侧形

成了衬度与母材不同的相互扩散层。

擎

媾柑

0 10 20 30 40 50 60 70 ‘ m)

图2 ai~o3-tic复合陶瓷与crl8-ni8：~锈钢扩散钎焊接头的线成分 1 500x

在温度较低时，复合陶瓷／rri以及不锈钢／rri之间的反应速

率较慢，此时主要发生ti与cu的扩散反应。由图2中ti。cu的

线成分图可以看出， ，cu元素发生了剧烈的扩散。根据cu一

|ri二元合金相图及文献资料．在ti／cu的界面上，首先生成cu—

ti相和cu(ti)固溶体[5]。由于金属铜强度低，塑性高，所以中

间层中的铜可以通过蠕变或者屈服变形机制有效降低接头残余

应力。因此cu是较好的缓冲层材料， 接头中存在中间层cu．

起到了释放残余应力的作用，保证焊缝有良好的塑性。

在高温下，rri不断向陶瓷和不锈钢表面扩散并与之发生化

学反应，从而在陶瓷与中间层、中间层与不锈钢界面处形成了

反应产物复杂的过渡层。在陶瓷侧，ri与al20 发生反应，生成

了tio：，tim，与陶瓷基体al20。接触；rri与陶瓷中扩散来的c生

成tic，tic增加了陶瓷一侧的润湿性，同时起到了弥散强化的

作用，增强了接头的强度。整个反应层中．在靠近陶瓷界面的

区域， 由于陶瓷分解扩散出来的氧较多． 所以形成较多的

0。；离陶瓷界面远的区域氧元素比较少，生成一定量的tio。

观察发现，rri元素的扩散现象十分明显，且在陶瓷侧和不

锈钢侧均有rri元素偏聚现象，这表明rri元素参与了界面反应。

同时起到了活性元素作用，对于缓解a1 o 一tic复合陶瓷与

crl8一ni8不锈钢接头的残余应力十分有利。

从图2 中的rri．fe元素分布线可见：rri与fe之间发生了一

定程度的相互扩散，尤其是fe向 中扩散了较远的距离。在交

界面附近这种成分的变化主要原因是不同元素具有不同的激活

能和不同的原子半径而导致元素具有不同的扩散速度。fe的原

子半径为0．12 nm。ti的原子半径为0．147 nm。因此，fe向rri扩

散的速度要大于rri向fe扩散的速度。由ti—fe二元相图可知，

fe在b—ti中的溶解度较大(900℃时约为22％一23％)，因此高温

下fe向 中扩散，主要是形成fe在b—ti中的固溶体，冷却时来

不及转变而保留到室温，由于该扩散层是单相固溶体组织．表

现为白色亮条。另一方面． 由于ti在fe中的溶解度极小，因此

ti向fe中扩散除形成ti在fe中的固溶体外，还将形成部分fe

和feti金属间化合物相e6]，在微观组织中表现为黑灰色带。

笔者对陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头区不同反应层进行了点

成分的分析。图3是a12o3一tic复合陶瓷与crl8一ni8不锈钢扩散

钎焊接头的背散射电子像，点成分测定数据见表3。

④

②

图3 al20广tic复合陶瓷与crl8-ni8~锈钢扩散焊接头背散射电子像 1 50(0

表3 al20 ic复合陶瓷与crls-ni8：~锈钢扩散焊接头epm 元素分析结果

(摩尔分数) (％)

元素 cu 0 ti al ni cr mn si c fe

① 34．31 0．98 7．83 2．00 54．88

② 1．30 48．70 0．40 0．45 46．58 2．57

③ 2．35 54．88 42．40 0．36

④ 68．46 14．34 8．09 4．95 2．34 l03 0．79

． ⑤ 2．7l 60．82 27．90 0．59 4．40 2．9l 0．27 0．40其中① ，②位于反应层1，③ ，④位于反应层2，⑤位于反

应层3；在不锈钢侧反应层，根据① 的元素比，可以判断①为

fe在b—ti中的固溶体，fe一 化合物，黑灰色；② 含w(ti)

48．7o％ ，w(c)46．58％ ，可以判断为tic；在中间反应层，黑色

的( 相w(ti)54．88％ ，w(c)42．40％ ， 比例接近tic；( 区域为

cu固溶体，并有扩散而来的少量o，ti，a1等元素；在陶瓷侧

反应层，从表3中⑤ 的成分来看，由于此处从陶瓷侧扩散来的

o含量较高，可初步推断灰色基体⑤为ti—o相。

3 结论

(1)试验采用扩散钎焊实现复合陶瓷与不锈钢的连接．工

艺参数为：加热温度1 100 1 150 oc：压力1o 20 mpa；保温

时间4o 70 min；保护气体为氮气。

(2)选用ti—c ti作中间层扩散钎焊a1：o 一tic复合陶瓷与

不锈钢，可有效地缓和接头残余应力，并且与陶瓷具有良好反

应能力，可获得足够强度的复合陶瓷，不锈钢扩散钎焊接头。

(3)a1：o 一tic复合陶瓷与不锈钢扩散钎焊接头形成3个扩

散反应层，其中一个位于cr18一ni8不锈钢侧．厚度约为17．5

m；靠近陶瓷侧的反应层厚度约为7．5 m，中间反应层厚度

约为5 m。

(4)通过电子探针分析，ai：o _tic复合陶瓷与不锈钢扩

散钎焊接头的元素分布表明，a1：0，_tic复合陶瓷与不锈钢接

头扩散反应形成产物主要有：靠近陶瓷一侧是tic．ti一0和 —

a1；靠近不锈钢一侧是fe在b—ti中的固溶体，fe一 化合物和

tic；中间一层是cu固溶体和cu—fri相。

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